船用中速柴油機(jī)凸輪軸故障原因及分析

李騰騰

（中國海警局直屬第五局， 海南 三亞 572000）

0 引言

當(dāng)前船用柴油機(jī)技術(shù)正朝向大型化，智能化，高性能化等重要領(lǐng)域發(fā)展， 在此基礎(chǔ)上還著重強(qiáng)調(diào)船用柴油機(jī)的可靠性，經(jīng)濟(jì)性。船用柴油機(jī)的性能遠(yuǎn)不止僅僅體現(xiàn)在制造技術(shù)突破方面， 對于船舶柴油機(jī)在使用過程中的科學(xué)管理方面同樣是重要的環(huán)節(jié)， 影響船用柴油機(jī)正常運行的故障多種多樣， 其中多數(shù)船用柴油機(jī)故障不及時處理大概率會出現(xiàn)降負(fù)載、降速、緊急停機(jī)等保護(hù)措施，直接影響航行安全。 船用柴油機(jī)凸輪軸作為柴油機(jī)進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)的重要組成部件，本文重點講述船用柴油機(jī)凸輪軸方面的故障處理方法以及管理措施。

1 柴油機(jī)凸輪軸定義與應(yīng)用

船舶柴油機(jī)中的凸輪軸是僅次于曲軸軸系的重要基礎(chǔ)軸類傳動部件，凸輪軸的組成主要由進(jìn)排氣凸輪、偏心輪、支承軸頸、以及凸輪軸驅(qū)動齒輪等組成；凸輪軸主要作用是控制柴油機(jī)進(jìn)氣閥、排氣閥的開合動作，噴油器起噴正時，以及空氣分配器的驅(qū)動，附加帶動調(diào)速器等其他附件的傳動輪做同步運動，為燃燒室正常工作提供先決條件[1]。

2 引起船用柴油機(jī)凸輪軸系統(tǒng)故障的主要原因

凸輪軸故障現(xiàn)象主要有凸輪軸工作面點蝕、磨損、塑性變形，凸輪軸表面裂紋和凸輪軸整體彎曲變形等，而引起凸輪軸故障有多種原因， 現(xiàn)總結(jié)歸納船用凸輪軸故障原因主要從三個重要環(huán)節(jié)進(jìn)行原因分析：

第一方面是從加工制造環(huán)節(jié)和凸輪軸結(jié)構(gòu)形式的選用進(jìn)行分析。 眾所周知，凸輪，見圖1，應(yīng)該保證具有很高的輪廓精準(zhǔn)度，相位角度、良好的耐磨性、 工作表面較小的表面粗糙度以及足夠的剛度和抗沖擊能力。

圖1 凸輪軸剖視圖

第二方面是從安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行分析，為保證凸輪軸在整個柴油機(jī)系統(tǒng)中能夠可靠工作，安裝工藝同樣不可忽視，凸輪軸各配合部件要嚴(yán)格按照柴油機(jī)技術(shù)規(guī)格書中凸輪軸規(guī)定的裝配尺寸公差來進(jìn)行安裝，比如：止推片調(diào)整軸向間隙；力矩扳手按標(biāo)準(zhǔn)值緊定螺栓；確保齒輪和凸輪軸錐面清潔和干燥；凸輪軸轉(zhuǎn)速正時輪附件齒后的第一個齒的中心線應(yīng)準(zhǔn)確對準(zhǔn)主轉(zhuǎn)速正時傳感器的中心線；安裝凸輪軸時曲軸和凸輪軸正時定位銷的找正方法。

第三方面是從凸輪軸日常管理進(jìn)行分析， 柴油機(jī)管理人員落實檢查制度不到位，僅僅存在于檢查燃油、滑油、冷卻水、更換濾芯濾器、各油路水路閥門位置、主機(jī)系統(tǒng)供電等日常啟機(jī)環(huán)節(jié)，對凸輪軸道門蓋內(nèi)部情況長時間疏于觀察。所以一旦出現(xiàn)柴油機(jī)動力衰減伴隨油耗增加因凸輪軸導(dǎo)致此現(xiàn)象時，往往更換意義大于修復(fù)。 原因還有以下方面：

（1） 故障原因判斷失誤或者僅調(diào)整氣閥間隙和噴油正時后繼續(xù)使用，凸輪表面長時間工作加劇磨損。

（2）在潤滑系統(tǒng)原因的情況下，因為凸輪軸部位基本處于在整體潤滑系統(tǒng)中較為劣勢的位置， 即使是進(jìn)行設(shè)計的液體動壓潤滑機(jī)構(gòu)， 在啟動、 停車或載荷劇烈變動時，也會短時間處于局部邊界摩擦狀態(tài)[2]。 船舶柴油機(jī)高頻率啟機(jī)停機(jī)，各接觸面潤滑條件不良，或者在冷機(jī)狀態(tài)下急加速急減速， 將導(dǎo)致頂柱滾輪與凸輪工作面產(chǎn)生硬性沖擊， 滾輪與凸輪相對接觸面活動速度過高產(chǎn)生劇烈摩擦。有時滑油系統(tǒng)壓力值正常，但通往凸輪軸部位的油道堵塞，潤滑條件不良也會導(dǎo)致凸輪軸軸頸部位、凸輪與滾輪工作部位加速磨損，造成一系列尺寸公差事故產(chǎn)生。相對低速柴油機(jī)， 中高速柴油機(jī)機(jī)長時間處于低速或者低負(fù)荷的情況下運行還會增加相應(yīng)凸輪頂尖點蝕概率的發(fā)生。凸輪軸的磨損還與滑油的質(zhì)量有關(guān)，磨粒磨損和腐蝕性磨損同樣不可忽視， 定期檢測滑油質(zhì)量和定期更換滑油是減小磨粒磨損和腐蝕性磨損概率發(fā)生的重要條件。 因此總結(jié)出， 凸輪軸的實際狀態(tài)與柴油機(jī)的潤滑條件、功率輸出、扭矩大小和運行的柔順性有很大的關(guān)系。

（3）人員在拆裝檢修時，未嚴(yán)格按照技術(shù)說明書進(jìn)行拆裝，拆裝時對零件表面，軸承蓋等關(guān)鍵部位因敲擊力度過大、配合間隙不當(dāng)?shù)仍蛟斐蓳p傷，拆卸后的各裝配式凸輪軸單元、軸承蓋、緊定螺栓等部件原位置未用記號筆進(jìn)行精確標(biāo)注，導(dǎo)致搭配錯亂現(xiàn)象。針對此類現(xiàn)象應(yīng)采用隨機(jī)專用工具，避免暴力操作，環(huán)境條件符合柴油機(jī)拆裝保養(yǎng)要求，輕拿輕放，各部件并做好標(biāo)識，按原位置、原尺寸、原材質(zhì)、原安裝工藝依次組裝。

第四方面是從凸輪軸控制的隨動部件進(jìn)行分析，與凸輪軸相關(guān)聯(lián)的部件故障往往也是影響凸輪軸故障的原因，凸輪軸在進(jìn)排氣系統(tǒng)中，隨著凸輪軸的轉(zhuǎn)動，凸輪軸上的頂尖致使頂柱上下移動，進(jìn)而導(dǎo)致推桿移動搖臂，搖臂的移動使得氣門橋控制兩個氣門開啟和燃油系統(tǒng)中噴油器的啟噴，見圖2。

例如：卡特C280 船用發(fā)動機(jī)規(guī)定每8000 個工作小時數(shù)或三年檢查一次凸輪軸滾輪隨動件，重點檢查下列部件在每個金屬與金屬接觸部位有無磨損：①氣門頂桿的滾柱；②凸輪軸：檢查每個滾柱有無磨損、移動是否過度以及有無軸向間隙。 如果發(fā)現(xiàn)過度磨損或其他老化的跡象，更換損壞的零部件[3]。

由此可以看出，當(dāng)進(jìn)排氣系統(tǒng)中頂柱、搖臂、氣門橋、氣閥和燃油系統(tǒng)中噴油器等部件因不同原因?qū)е逻\行阻力、摩擦力矩過大或者出現(xiàn)卡死現(xiàn)象時，引起凸輪軸故障的可能性也會大大增加。

3 船用柴油機(jī)凸輪軸故障案例分析

通過對凸輪軸在柴油機(jī)系統(tǒng)的定義可以得知凸輪軸故障后往往會引起柴油機(jī)運行過程中各種連鎖故障現(xiàn)象產(chǎn)生，因此，進(jìn)排氣機(jī)構(gòu)各從動機(jī)構(gòu)故障也同樣與凸輪軸相互制約，較輕的會引起動力衰減而油耗增加現(xiàn)象，較重的甚至?xí)斐烧麄€凸輪軸傳動機(jī)構(gòu)卡死， 正時齒輪崩齒現(xiàn)象， 不及時處理甚至?xí)Σ裼蜋C(jī)整個系統(tǒng)造成嚴(yán)重?fù)p害，現(xiàn)對經(jīng)歷的真實案例進(jìn)行分析。

3.1 故障現(xiàn)象

在高速航行期間出現(xiàn)主機(jī)集控臺報警， 顯示左主機(jī)第七缸傳感器后排氣溫度偏差高報警， 該缸傳感器檢測的工作溫度明顯低于左主機(jī)各缸后排氣平均溫度125℃以上，氣缸檢測溫度情況按報警信息推斷屬于明顯異常，并且機(jī)旁目測檢查和聽覺檢查未發(fā)現(xiàn)該缸明顯異響聲或異常振動，在機(jī)旁查看期間又相繼出現(xiàn)金屬顆粒報警，請示停機(jī)后， 檢查金屬顆粒探測器電極板未發(fā)現(xiàn)明顯金屬顆粒， 用專用工具測量排除并非因溫度傳感器造成的溫度異常， 并且通過專用工具調(diào)整氣閥間隙和校正噴油器正時故障現(xiàn)象仍未消除，但在排查至凸輪軸部位，當(dāng)打開凸輪軸道門蓋時發(fā)現(xiàn)明顯異常， 后續(xù)也相繼配合技術(shù)人員拆檢進(jìn)行氣缸缸頭檢查，氣閥閥盤與閥座、缸套活塞頭部燃燒痕跡及表面磨損情況均無異常，發(fā)現(xiàn)以下問題：

（1）噴油器正時凸輪頂尖部位磨損嚴(yán)重，不同角度可以看出磨損面已呈明顯臺階狀，見圖3。

圖3 噴油器正時凸輪

（2） 排氣閥凸輪表面不同程度出現(xiàn)片狀金屬脫落現(xiàn)象，見圖4。

圖4 排氣閥凸輪

（3）噴油器頂柱頂頭滾輪表面金屬脫落嚴(yán)重，銅制滾輪軸磨損嚴(yán)重呈塑性變形狀態(tài)，圖5 白色方框區(qū)域，滾輪轉(zhuǎn)動角度后，上下間隙浮動明顯。

圖5 噴油器頂柱頂頭滾輪

（4）進(jìn)氣閥頂柱銅制滾輪軸（圖6）位移，擠壓式塑性變形。

圖6 進(jìn)氣閥頂柱

（5） 各頂柱在工作時因滾輪基座部位相對位移硬性沖擊的造成不同程度的損傷，見圖7、圖8。

圖7 噴油器頂柱

圖8 排氣閥頂柱

（6）噴油器在返廠臺架釋壓實驗時，檢測出偶發(fā)性卡滯現(xiàn)象，拆解后發(fā)現(xiàn)為柱塞偶件表面與套筒表面拉毛導(dǎo)致故障現(xiàn)象，圖9 為目前常用的典型電控單體式噴油器。

圖9 電控單體式噴油器

3.2 故障原因分析及排除方式方法

通過系統(tǒng)的查找問題和對上述損傷部件的分析，推斷為噴油器柱塞偶件問題， 如柱塞偶件多次卡滯在上止點， 首先導(dǎo)致控制噴油器的挺桿滾輪在短時間內(nèi)便與凸輪表面硬性沖擊導(dǎo)致擠壓塑性變形， 同時柴油機(jī)在繼續(xù)運行的過程中兩接觸表面加劇磨損， 而噴油器頂柱銅制滾輪軸變形量較大， 在噴油器頂柱滾輪的推動作用下不規(guī)則跳動， 噴油器頂柱滾輪基座又與進(jìn)排氣頂柱滾輪基座之間間隙較小，造成三者間滾輪基座相互沖擊，硬性沖擊對高副點或者線接觸點的運動副損傷程度不言而喻，從圖7 可以發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象， 由于噴油器柱塞偶件卡滯故障直接原因而造成進(jìn)排氣閥頂柱運行異常， 進(jìn)氣閥頂柱銅制滾輪軸移位，間接導(dǎo)致進(jìn)排氣閥凸輪表面也相繼損傷。

3.3 處理措施

由于上述部件非正常損傷較為嚴(yán)重， 已出現(xiàn)熱處理接觸面呈片狀金屬脫落和塑性變形情況， 測量凸輪的高度尺寸和升程尺寸遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)值， 修復(fù)意義小于更換意義。通過采取對該缸噴油器、進(jìn)排氣閥頂柱更換和該缸分段凸輪軸總成的更換； 修復(fù)各凸輪軸隨動件的軸承受損情況；由于磨損導(dǎo)致的部分鐵屑進(jìn)入潤滑系統(tǒng)，進(jìn)而對整個主機(jī)滑油油路進(jìn)行加壓清洗，油底殼清潔，滑油更換等必要維修保養(yǎng)措施，啟動檢試后交付使用，經(jīng)過后期跟蹤該柴油機(jī)在使用過程中未出現(xiàn)此類故障。 通過對針對本項典型案例的分析， 找到凸輪軸損傷的根本原因才是處理問題根本要務(wù)，防止治標(biāo)不治本故障再次出現(xiàn)。

4 船用柴油機(jī)凸輪軸磨損數(shù)據(jù)分析

經(jīng)查閱摩擦學(xué)原理相關(guān)資料， 結(jié)合上述案例中以凸輪軸滾輪從動件結(jié)構(gòu)形式的測量計算，可基本判定，通過測量計算手段能準(zhǔn)確掌握凸輪軸系統(tǒng)的磨損狀況， 可有效預(yù)防因凸輪軸引發(fā)的柴油機(jī)故障。

凸輪軸的耐磨性主要與凸輪軸和頂柱滾輪制造所用的材料以及使用過程中的潤滑條件有直接關(guān)系。 經(jīng)查證相關(guān)試驗， 組成摩擦副之間的兩接觸面的接觸面積并非能達(dá)到100%狀態(tài)， 相反大部分只是微凸體之間相接觸，凸輪和頂柱滾輪通過精磨兩者之間高副線接觸可達(dá)到理想狀態(tài)下30%～50%，但通過研磨或者珩磨過的表面可高達(dá)90%～97%[4]。 在凸輪與頂柱滾輪相對滑動期間磨損過程是漸近性的，可將其分為三個階段：起始磨損階段、正常磨損階段、快速磨損階段[4]，見圖10。

圖10 零件的磨損情況

均已精磨狀態(tài)下接觸面為計算基點相對直觀，建議使用船用船修通用“黏著磨損”[5]。 采用目前在國內(nèi)外比較認(rèn)可的Archerd 黏著磨損定律，首先介紹黏著磨損的定義，按照不同磨損機(jī)理磨損的主要形式有四種，分別為磨粒磨損、黏著磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損， 其中黏著磨損是是由于兩摩擦物體在法向力和切向力的聯(lián)合作用下， 產(chǎn)生金屬與金屬的直接接觸和塑性變形，從而經(jīng)歷黏著（冷焊）、剪切撕脫和再黏著的循環(huán)過程。 以黏著磨損形式進(jìn)行分析也相對符合凸輪軸磨損的研究方向。

演算出單位滑動距離的磨損量為[6]：

式中：K—產(chǎn)生球體磨屑的概率簡稱 （磨損系數(shù)）；H—摩擦副中較軟材料的硬度；P—總載荷（法向載荷）；V—磨損體積；s—滑動距離。

上述公式表明， 材料的磨損量大小與承受載荷和接觸滑動距離成正比， 與摩擦副總的軟材料屈服極限強(qiáng)度或者材料硬度成反比，硬度越高磨損量越小。 其中摩擦系數(shù)K 可以按照組成摩擦副之間不同的材料和磨損形式求得。

上述推算公式，是把組成摩擦副材料特性（比如材料的硬度和極限屈服強(qiáng)度）與磨損量有機(jī)結(jié)合起來，推斷出摩擦副在相對位移動作周期內(nèi)的理論磨損量， 因為材料的硬度和極限屈服強(qiáng)度在國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和專業(yè)文獻(xiàn)中容易查找， 或者用專用設(shè)備進(jìn)行檢測也可以測量得到兩者精確的數(shù)據(jù)，為設(shè)計人員和滾-滑機(jī)構(gòu)形式管理人員提供必要的理論借鑒。所以選用Archerd 黏著磨損定律作為滾-滑摩擦副工程實用性占較高優(yōu)勢。

5 船用柴油機(jī)凸輪軸損傷后處理措施

船用柴油機(jī)凸輪軸在任何情況下發(fā)現(xiàn)非正常磨損現(xiàn)象后，都應(yīng)采取應(yīng)急措施，及時進(jìn)行停機(jī)維護(hù)，防止故障范圍進(jìn)一步擴(kuò)大， 目前船用凸輪軸常見的處理措施主要分為兩種：①視情進(jìn)行損傷修復(fù)；②整體更換。 而上述兩種情況的處理依據(jù)主要是根據(jù)凸輪測量的實際數(shù)據(jù)與凸輪磨損標(biāo)準(zhǔn)極限值作出的對比值來確定。

凸輪軸的修復(fù)工作應(yīng)該在拆離機(jī)體后進(jìn)行， 應(yīng)選用施工環(huán)境良好的場地、專業(yè)素質(zhì)較好的人員、合適的專用工具和設(shè)備。

當(dāng)處理凸輪軸彎曲變形損傷現(xiàn)象時， 在所用柴油機(jī)機(jī)型技術(shù)說明書規(guī)定的極限值與標(biāo)準(zhǔn)值內(nèi)彎曲度范圍內(nèi)偏差較大的，可以采用冷壓校正的方法進(jìn)行修復(fù)，修復(fù)過程中應(yīng)進(jìn)行時效處理， 盡量消除應(yīng)力集中對凸輪軸強(qiáng)度造成的影響，校正后進(jìn)行磁粉探傷試驗，尤其在中高速柴油機(jī)型的凸輪和軸頸表面一般不允許出現(xiàn)超過5mm 的軸向裂痕，如果彎曲度超過規(guī)定的極限值，建議更換，因為在尺寸較大下強(qiáng)行校正凸輪軸可能引起結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較低，產(chǎn)生裂痕，不符合使用性能。

當(dāng)處理凸輪升程高度正常磨損現(xiàn)象時， 凸輪升程高度減少量在極限值與標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)， 可采用專用凸輪軸磨床進(jìn)行修磨， 保證尺寸精度的同時還要注意韌磨表面的粗糙度和光潔度；也可采用堆焊、表面噴涂和刷鍍等工藝進(jìn)行修復(fù)，這兩種修復(fù)方案均可采用。但是在凸輪軸表面硬質(zhì)合金出現(xiàn)點蝕、片狀金屬脫落、塑性變形等非正常磨損現(xiàn)象時，應(yīng)直接更換凸輪軸，這幾種現(xiàn)象也會作為凸輪軸的失效形式來看待， 大概率會傷及凸輪軸工作面的硬度和影響白口層的深度， 達(dá)不到使用要求或者在使用過程中留下隱患。

當(dāng)處理腐蝕性磨損和磨粒磨損形式時， 凸輪軸在采取表面修復(fù)或更換凸輪軸的措施后， 還應(yīng)重點檢查柴油機(jī)系統(tǒng)滑油質(zhì)量，必要時將柴油機(jī)系統(tǒng)滑油換新。

一般對在海上長期航行的船舶， 建議配備裝配式凸輪軸單元總成較為妥當(dāng)， 海上修復(fù)相對困難， 對修復(fù)環(huán)境、場地和專用工具設(shè)備、人員專業(yè)素質(zhì)要求較高；整體式凸輪軸總成對保存要求較高， 拆裝不便等原因可以視情隨船備便。

海上航行期間， 由凸輪軸變形或磨損造成柴油機(jī)單缸或非相鄰兩缸的嚴(yán)重故障， 現(xiàn)有條件無法修復(fù)時，為防止擴(kuò)大柴油機(jī)故障范圍，可以視情采取封缸運行的緊急措施， 但需要控制柴油機(jī)負(fù)荷， 一般采取不超過0.55倍額定轉(zhuǎn)速運行，人員加強(qiáng)監(jiān)測柴油機(jī)各運行中參數(shù)的變化。

6 結(jié)束語

綜上所述，為防止凸輪軸的異常磨損，應(yīng)該分別從凸輪軸加工制造，材料設(shè)計、裝配環(huán)節(jié)、潤滑條件、人員日常管理等多方面預(yù)防， 精確定位引起凸輪軸磨損的根本原因，是保障柴油機(jī)正常運轉(zhuǎn)的重要前提，將本人的一些觀點結(jié)合日常工作重點并圍繞凸輪軸現(xiàn)行故障的排除方法進(jìn)行必要闡述。